CN113435054A - 一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法及系统，涉及工程建筑物碳排放系统技术领域，该系统包括多个客户终端、一个应用服务器及一个数据库；其中：每个客户终端具有用户操作界面，供技术人员执行碳排放计划、反馈、查询、监控、生成评估报告等相关操作；应用服务器包含了碳排放计算的多个功能模块，用于对数字孪生模型的数据处理、算法分析、接口查询；数据库用于存储数字孪生模型信息、基础数据信息。本发明用于对工厂全生命周期的碳排放量进行快速评估、精细计算及实时动态监控，基于数字化管理平台，非特定行业，来进行碳排放评估，可以减少碳排放计算的重复工作，提高工厂全生命周期碳排放核算效率，保证碳排放计算细度和准确度。

Description

一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法及系统
技术领域：
本发明涉及工程建筑物碳排放系统技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法及系统。
背景技术：
目前全球气候变暖问题得到国内外的高度重视，加快建材行业绿色低碳转型发展，这需要相关企业对于建筑包括建材生产、建材运输、施工及拆除、运行及维护在内的全生命周期碳排放量进行前期预测、运行监控和过程控制。
目前，对建筑工程的碳排放计算主要关注建筑物运行阶段的碳排放；并且，对建造阶段的计算方法主要采用施工能耗清单统计法，即通过现场电表、汽油和柴油的计量进行统计，汇总得到建造阶段的实测总能耗；同时，碳排放精细化核算计算繁琐，对专业技术要求高，使用传统手段，无法在施工前对建筑物的全生命周期碳排放数据进行快速的精细化预算，无法全面快速对设计方案进行分析、对比、评估、优化，无法为企业提供设计和使用环节的碳排放评价工具。
发明内容：
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于数字孪生模型的服务于工厂全生命周期的碳排放评估方法及系统，解决当前传统碳排放核算阶段要素不全、计算繁琐、精度不够、无法指导方案优化的问题。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：提供一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法及系统，用于对工厂全生命周期碳足迹的精细化计算和实时动态监控，可进行设计方案、建设方案的对标优化，工厂运行状态监控，可进行碳足迹确权，用于绿色低碳建筑评估和碳交易等，构建碳排放业务数字化产业生态。
本发明的第一目的是提供一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法，包括以下步骤：
S1、建立满足工厂全生命周期业务应用需求的模型信息编码标准
依据工厂全生命周期各阶段业务管理需要和孪生模型应用特点而制定，满足业务管理和碳排放计算的需要，用数字和字母表示每一个构件和业务的属性信息，例如项目信息、车间信息、专业信息、空间区域信息、楼层信息、类别信息、特征量信息等。
S2、建立数字孪生模型与信息数据存储
应用BIM建模软件建立符合生产、施工精度要求的数字孪生模型，模型构件包含步骤S1定义的模型信息编码属性信息，并将模型构件id和对应的属性信息存入数据库，方便快速检索和用于碳排放计算。
S3、建立数字孪生模型与基础数据库的映射关系
将数字孪生模型对应的模型信息编码信息与基础数据库中的基础数据建立n组映射关系，一组映射关系包含n个参数匹配条件表达式和一个工程计量公式：
1)参数匹配条件表达式：PNi+运算符+PVi；其中，PNi表示第i个属性参数名；运算符包含：大于、等于、小于、大于等于、小于等于、不等于、包含、开始包含、结束包含、开始不包含、结束不包含、不包含，PVi表示第i个属性需要满足的参数值；多个参数匹配条件表达式为逻辑与关系，需要同时满足；
2)工程计量公式：Q＝{PNi}/Qu；其中，Q表示用于计算工程消耗的计量量；{PNi}表示用于计算模型构件工程量的属性名称(PNi)对应的属性值；Qu表示计量单位。
S4、基于数字孪生模型的碳排放量自动计算
基于步骤S2中数字孪生模型属性编码和步骤S3中定义的映射关系，由程序自动匹配材料的碳排放因子；自动匹配施工和拆除对应的编码；自动计算能源消耗量；依据系统内置的材料碳因子库、机电碳因子库、燃料碳因子库等，实现工厂建设材料生产、材料运输、工厂建造、工厂拆除等各阶段碳排放量的快速、详细、完整的计算。
S5、基于数字孪生模型的碳排放量展示
采用轻量化方法来展示数字孪生模型和模型构件对应的碳排放量：数字孪生模型通过轻量化转化后可以在浏览器上浏览，碳排放核算人员在浏览器端对模型构件对应的碳排放量进行查看、检验、调整；多维度对比不同设计方案模型的碳指标，包括：专业对比、车间对比、实施阶段对比，快速聚焦低碳关键环节。
S6、数字孪生模型变更
构件模型及其属性的增加、删除、修改，以及业务模型的变更，导致碳排放量计划值随之变更；计划碳排放量需根据数字孪生模型版本号来获取最新数据。
S7、实际碳排放数据采集
与企业的业务数字化系统数据实现实时传输，获取工厂实际运输数据；针对施工及拆除阶段，采用移动APP、无线射频、智能传感等物联网终端进行数据采集，得到施工机械的消耗台班时和其他能源消耗量；针对运行及维护阶段，全面采用视频、智能传感、PLC等物联网技术，实时采集工厂运行的产量、质量、能耗等数据。
S8、基于数字孪生模型的碳排放量实时监控
基于算法模型，将物理模型与业务模型同步展示，得到计划与实际的碳排放量数据对比，对超出计划的量值高亮显示，实时动态监控各阶段碳排放数据和状态，实现工程量、消耗量、碳排放量等多维度对标、分析，并可主动推送到数字监控中心进行可视化、平台化展示。
S9、工厂全生命周期碳排放的分析评估
基于步骤S1～S8得到的各项数据，采用大数据分析方法对相关碳排放涉及到的设计因素、采购因素、物流因素、施工因素以及其他主客观因素进行系统性分析，凸显高碳排放环节的关键影响因素；以指导优化工艺流程、设计方案、运输方案、调整施工组织方案，实现企业对建筑物碳排放的评估和把控。
本发明的第二目的是提供一种基于数字孪生模型的碳排放评估系统，包括：多个客户终端、一个应用服务器及一个数据库；其中：每个客户终端具有用户操作界面，供技术人员执行碳排放计划、反馈、查询、监控、生成评估报告的相关操作；应用服务器包含了碳排放计算的多个功能模块，用于对数字孪生模型数据进行处理、算法分析、功能发布等；数据库用于存储数字孪生模型信息、基础数据信息等。
所述功能模块还包括：
模型信息编码管理，用于管理制定的模型信息编码以及BIM构件的属性清单等。
数字孪生模型管理，用于将BIM建模软件中的数字孪生模型上传至应用服务器，并将模型属性提取到关系型数据库，以及对数字孪生模型做轻量化处理。
计划碳排放计算模块，用于对数字孪生模型数据自动生成碳排放量计划数据，自动实现模型构件级别的材料生产、材料运输、施工及拆除碳排放量，并在浏览器端展示单个构件的材料碳因子、材料碳排放、施工及拆除对应的施工机械台班消耗量、辅助耗材消耗量、运输能源消耗量及其对应的碳因子和碳排放量。
实际碳排放反馈模块，用于获取实际碳排放计算数据，包括采购合同清单数据、运输环节数据、施工机械以及辅助耗材数据等，帮助企业实时了解碳排放量，及时调控。
监控模块，根据计划和实际碳排放量对比，修正计划方案，聚焦影响碳排放量的关键业务及工序，指导企业优化设计方案。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于数字化管理平台，而非对特定的行业进行评估，方便快捷地实现对数字孪生模型及碳排放数据的自动计算、存储、查询、展示，可减少碳排放计算的重复工作，提高工厂全生命周期碳排放核算效率，保证碳排放计算细度和准确度，对工厂各阶段低碳减排提供强大数据支撑，为碳达峰、碳中和目标提供全面、系统的服务。
附图说明：
图1为碳排放管理分析步骤图；
图2为模型构件属性与基础数据匹配图；
图3为建筑物全生命周期计算示意图；
图4为硬件架构图；
图5为功能模块图。
具体实施方式：
下面结合附图、实施例对本发明做进一步解释说明。
在本实例中，一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法，参见图1，包括以下步骤：
S1、建立满足工厂全生命周期业务应用需求的模型信息编码标准
依据工厂全生命周期各阶段业务管理需要和孪生模型应用特点而制定，满足业务管理和碳排放计算的需要，用数字和字母表示每一个构件和业务的属性信息，例如项目信息、车间信息、专业信息、空间区域信息、楼层信息、类别信息、特征量信息等，参见表1。
表1模型信息编码
序号 编码名称
1 行业码
2 项目号
3 车间编号
4 施工码
5 专业码
6 空间区域码
7 楼层码
8 类别码
9 子类码
10 细类码
11 流水号
12 产品编码
13 工作成果
14 价格编码
15 工程量
16 土建组合码
17 机电设备组合码
18 钢结构组合码
19 工作集
20 功能码
S2、建立数字孪生模型与信息数据存储
应用BIM建模软件建立符合生产、施工精度要求的数字孪生模型，模型构件包含步骤S1定义的模型信息编码属性信息，并将模型构件id和对应的属性信息存入数据库，方便快速检索和用于碳排放计算。
数字孪生模型中一个混凝土梁构件的模型信息编码，参见表2。
表2一个混凝土梁构件的模型信息编码
序号 编码名称 值
1 行业码
2 项目号 000
3 车间编号 313
4 施工码 CI
5 专业码 SC
6 空间区域码 BD1
7 楼层码 1F
8 类别码 BM
9 子类码 BM02
10 细类码 CC
11 流水号 123456
12 产品编码
13 工作成果
14 价格编码
15 工程量 82.5
16 土建组合码
17 机电设备组合码
18 钢结构组合码
19 工作集 结构_混凝土
20 功能码
S3、建立数字孪生模型与基础数据库的映射关系
将数字孪生模型对应的模型信息编码信息与基础数据库中的基础数据建立n组映射关系，一组映射关系包含n个参数匹配条件表达式和一个工程计量公式，参见图2。
1)参数匹配条件表达式：PNi+运算符+PVi；其中，PNi表示第i个属性参数名；运算符包含：大于、等于、小于、大于等于、小于等于、不等于、包含、开始包含、结束包含、开始不包含、结束不包含、不包含，PVi表示第i个属性需要满足的参数值；多个参数匹配条件表达式为逻辑与关系，需要同时满足；
2)工程计量公式：Q＝{PNi}/Qu；其中，Q表示用于计算工程消耗的计量量；{PNi}表示用于计算模型构件工程量的属性名称(PNi)对应的属性值(如构件的体积参数对应的属性值)；Qu表示计量单位(如对于条形基础混凝土的计量单位为10m3)。
图2表示，模型构件中，S09(参数名)＝SFDI02(参数值)，且S05(参数名)＝SC(参数值)，且S10(参数名)＝CC(参数值)的构件，按照编码5-3计算碳排放，碳排放计算选用的工程量计算公式为：S15参数名应的参数值/10。
S4、基于数字孪生模型的碳排放量自动计算
基于步骤S2中数字孪生模型属性编码和步骤S3中定义的映射关系，由程序自动匹配材料的碳排放因子；自动匹配施工和拆除对应的编码；自动计算能源消耗量；依据系统内置的材料碳因子库、机电碳因子库、燃料碳因子库等，实现工厂建设材料生产、材料运输、工厂建造、工厂拆除等各阶段碳排放量的快速、详细、完整的计算，参见图3。
通过遍历步骤S3中的所有映射关系组，从步骤S2的模型信息中找出符合该映射关系的构件集合，匹配计算得到该构件集合的施工机械台班消耗量和辅助耗材消耗量，查询相应碳排放因子，计算得到数字孪生模型构件的碳排放量。
S5、基于数字孪生模型的碳排放量展示
采用轻量化方法来展示数字孪生模型和模型构件对应的碳排放量：数字孪生模型通过轻量化转化后可以在浏览器上浏览，碳排放核算人员在浏览器端对模型构件对应的碳排放量进行查看、检验、调整；多维度对比不同设计方案模型的碳指标，包括：专业对比、车间对比、实施阶段对比，快速聚焦低碳关键环节。
例如，碳排放核算人员选中数字孪生模型某区域，可在浏览器端查看该区域包含构件计算出的计划材料生产碳排放、计划运输碳排放、计划施工和拆除碳排放；选中数字孪生模型中的设备构件，可以查看该设备的功率等能耗信息和运行维护阶段碳排放量。
S6、数字孪生模型变更
构件模型及其属性的增加、删除、修改，以及业务模型的变更，导致碳排放量计划值随之变更；计划碳排放量需根据数字孪生模型版本号来获取最新数据。
例如，设计方案的数字孪生模型中结构柱截面变大，上传新版模型后，记录版本号，并自动计算该版本所有模型构件的碳排放量，获取新版模型数据后，该构件的各阶段碳排放量发生相应改变。
S7、实际碳排放数据采集
实际碳排放采集包括以下子步骤：
S71、针对建材生产阶段，碳排放相关数据可以与企业的ERP系统实现数据传输，获取企业采购合同、运输合同数据；
S72、针对施工及拆除阶段，采用现场移动APP终端进行反馈，在每种施工机械的运行开始和结束进行扫码反馈，得到施工机械的台班时消耗量；
S73、针对运行及维护阶段，采用物联网技术，实时采集运行数据，以计算实际碳排放量。
例如，接入企业的ERP系统和生产MES系统，通过接口自动提取建筑物的材料采购量、生产车间的能耗量，计算出对应阶段的碳排放量；给每一台施工机械贴上二维码，在施工机械运行开始和结束时间点进行扫码反馈，以计算相应碳排放量。
S8、基于数字孪生模型的碳排放量实时监控
基于算法模型，将物理模型与业务模型同步展示，得到计划与实际的碳排放量数据对比，对超出计划的量值高亮显示，实时动态监控各阶段碳排放数据和状态，实现工程量、消耗量、碳排放量等多维度对标、分析，并可主动推送到数字监控中心进行可视化、平台化展示。
例如，针对全厂数字孪生模型的某个车间区域，实际碳排放大于计划碳排放，该车间模型上方有叹号预警提示；同时，该车间某台设备待机超长造成碳排放超过阈值，该设备红色预警。
S9、工厂全生命周期碳排放的分析评估
基于步骤S1～S8得到的各项数据，采用大数据分析方法对相关碳排放涉及到的设计因素、采购因素、物流因素、施工因素以及其他主客观因素进行系统性分析，凸显高碳排放环节的关键影响因素；以指导优化工艺流程、设计方案、运输方案、调整施工组织方案，实现企业对建筑物碳排放的评估和把控。
例如，全厂某一车间碳排放超标，可能是由于设计错误导致拆除返工，采购建材不符合低碳要求，设备物流方案不合理，也有可能是相关工艺问题造成设备空转等。通过分析评估，及时发现问题，指导从源头实施减碳措施。
相应的，本发明还提供了一种基于数字孪生模型的碳排放评估系统，包括：多个客户终端、一个应用服务器及一个数据库，参见图4。其中：每个客户终端具有用户操作界面，供技术人员执行碳排放计划、反馈、查询、监控、生成评估报告等相关操作；应用服务器包含了碳排放计算的多个功能模块，用于对数字孪生模型的数据处理、算法分析、接口查询等；数据库用于存储数字孪生模型信息、基础数据信息等。
所述功能模块还包括(参见图5)：
模型信息编码管理，用于管理制定的模型信息编码以及模型构件的属性清单等。
数字孪生模型管理，用于将BIM建模软件中的数字孪生模型上传至应用服务器，并将模型属性提取到关系型数据库，以及对数字孪生模型做轻量化处理。
计划碳排放计算模块，用于对数字孪生模型数据自动生成碳排放量计划数据，自动实现模型构件级别的材料生产、材料运输、施工及拆除碳排放量，并在浏览器端展示单个构件的材料碳因子、材料碳排放、施工及拆除对应的施工机械台班消耗量、辅助耗材消耗量、运输能源消耗量及其对应的碳因子和碳排放量。
实际碳排放反馈模块，用于获取实际碳排放计算数据，包括采购合同清单数据、运输环节数据、施工机械以及辅助耗材数据等，帮助企业实时了解碳排放量，及时调控。
监控模块，根据计划和实际碳排放量对比，修正计划方案，聚焦影响碳排放量的关键业务及工序，指导企业优化设计方案。
本发明具有以下有益效果：基于数字化管理平台，而非对特定的行业进行评估，方便快捷地实现对数字孪生模型及碳排放数据的自动计算、存储、查询、展示，可减少碳排放计算的重复工作，提高工厂全生命周期碳排放核算效率，保证碳排放计算细度和准确度，对工厂各阶段低碳减排提供强大数据支撑，为碳达峰、碳中和目标提供全面、系统的服务。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立满足工厂全生命周期业务应用需求的模型信息编码标准；
S2、建立数字孪生模型与信息数据存储；
S3、建立数字孪生模型与基础数据库的映射关系；
S4、基于数字孪生模型的碳排放量自动计算；
S5、基于数字孪生模型的碳排放量展示；
S6、数字孪生模型变更；
S7、实际碳排放数据采集；
S8、基于数字孪生模型的碳排放量实时监控；
S9、工厂全生命周期碳排放的分析评估。
2.根据权利要求1所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S1具体为：依据工厂全生命周期各阶段业务管理需要和孪生模型应用特点而制定，满足业务管理和碳排放计算的需要，用数字和字母表示每一个构件和业务的属性信息，所述属性信息包括项目信息、车间信息、专业信息、空间区域信息、楼层信息、类别信息、特征量信息。
3.根据权利要求2所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S2具体为：应用BIM建模软件建立符合生产、施工精度要求的数字孪生模型，模型构件包含步骤S1定义的模型信息编码属性信息，并将模型构件id和对应的属性信息存入数据库。
4.根据权利要求3所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S3具体为：将数字孪生模型对应的模型信息编码信息与基础数据库中的基础数据建立n组映射关系，一组映射关系包含n个参数匹配条件表达式和一个工程计量公式：
参数匹配条件表达式：PNi+运算符+PVi；其中，PNi表示第i个属性参数名；运算符包含：大于、等于、小于、大于等于、小于等于、不等于、包含、开始包含、结束包含、开始不包含、结束不包含、不包含，PVi表示第i个属性需要满足的参数值；多个参数匹配条件表达式为逻辑与关系，需要同时满足；
工程计量公式：Q＝{PNi}/Qu；其中，Q表示用于计算工程消耗的计量量；{PNi}表示用于计算模型构件工程量的属性名称(PNi)对应的属性值；Qu表示计量单位。
5.根据权利要求4所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S5具体为：基于步骤S2中数字孪生模型属性编码和步骤S3中定义的映射关系，自动匹配材料的碳排放因子；自动匹配施工和拆除对应的编码；自动计算能源消耗量；依据系统内置的材料碳因子库、机电碳因子库、燃料碳因子库，实现工厂建设材料生产、材料运输、工厂建造、工厂拆除各阶段碳排放量的计算。
6.根据权利要求5所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S5具体为：采用轻量化方法来展示数字孪生模型和模型构件对应的碳排放量，数字孪生模型通过轻量化转化后在浏览器上浏览，碳排放核算人员在浏览器端对模型构件对应的碳排放量进行查看、检验、调整；多维度对比不同设计方案模型的碳指标，包括：专业对比、车间对比、实施阶段对比，快速聚焦低碳关键环节。
7.根据权利要求6所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S6具体为：构件模型及其属性的增加、删除、修改，以及业务模型的变更，导致碳排放量计划值随之变更；根据数字孪生模型版本号来获取计划碳排放量的最新数据。
8.根据权利要求7所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S7具体为：与企业的业务数字化系统数据实现实时传输，获取工厂实际运输数据；针对施工及拆除阶段，采用移动APP、无线射频、智能传感物联网终端进行数据采集，得到施工机械的消耗台班时和其他能源消耗量；针对运行及维护阶段，采用视频、智能传感、PLC物联网技术，实时采集工厂运行的产量、质量、能耗数据。
9.根据权利要求8所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S8具体为：基于算法模型，将物理模型与业务模型同步展示，得到计划与实际的碳排放量数据对比，对超出计划的量值高亮显示，实时动态监控各阶段碳排放数据和状态，实现工程量、消耗量、碳排放量等多维度对标、分析，并主动推送到数字监控中心进行可视化、平台化展示。
10.根据权利要求9所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，其特征在于，步骤S9具体为：基于步骤S1～S8得到的各项数据，采用大数据分析方法对相关碳排放涉及到的设计因素、采购因素、物流因素、施工因素以及其他主客观因素进行系统性分析，凸显高碳排放环节的关键影响因素；以指导优化工艺流程、设计方案、运输方案、调整施工组织方案，实现企业对建筑物碳排放的评估和把控。
11.一种基于数字孪生模型的碳排放评估系统，其特征在于，用于实现上述权利要求1-10任一项所述基于数字孪生模型的碳排放评估方法，所述碳排放评估系统包括：多个客户终端、一个应用服务器及一个数据库；其中：每个客户终端具有用户操作界面，供技术人员执行碳排放计划、反馈、查询、监控、生成评估报告的相关操作；应用服务器包含了碳排放计算的多个功能模块，用于对数字孪生模型数据进行处理、算法分析、功能发布；数据库用于存储数字孪生模型信息、基础数据信息。
12.根据权利要求11所述基于数字孪生模型的碳排放评估系统，其特征在于，所述功能模块还包括：
模型信息编码管理，用于管理制定的模型信息编码以及模型构件的属性清单；
数字孪生模型管理，用于将BIM建模软件中的数字孪生模型上传至应用服务器，并将模型属性提取到关系型数据库，以及对数字孪生模型做轻量化处理；
计划碳排放计算模块，用于对数字孪生模型数据自动生成碳排放量计划数据，自动实现模型构件级别的材料生产、材料运输、施工及拆除碳排放量，并在浏览器端展示单个构件的材料碳因子、材料碳排放、施工及拆除对应的施工机械台班消耗量、辅助耗材消耗量、运输能源消耗量及其对应的碳因子和碳排放量；
实际碳排放反馈模块，用于获取实际碳排放计算数据，包括采购合同清单数据、运输环节数据、施工机械以及辅助耗材数据，帮助企业实时了解碳排放量，及时调控；
监控模块，根据计划和实际碳排放量对比，修正计划方案，聚焦影响碳排放量的关键业务及工序，指导企业优化设计方案。
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